汽車機(jī)械慣量電模擬技術(shù)分析

趙天德 （梧州職業(yè)學(xué)院汽車工程系，廣西梧州543002）

汽車的機(jī)械慣量主要是指在機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)中產(chǎn)生的慣性能量，這種動(dòng)能包含汽車平行移動(dòng)和機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)所儲(chǔ)蓄的能量[1]。汽車機(jī)械慣量的量化是汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的參數(shù)基礎(chǔ)，因而對(duì)汽車機(jī)械慣量的研究十分必要。在上述研究中，傳統(tǒng)的飛輪技術(shù)被電模擬技術(shù)所代替。電模擬技術(shù)是指利用機(jī)械模擬和電子系統(tǒng)相結(jié)合的方式進(jìn)行模擬，以此獲得試驗(yàn)性數(shù)據(jù)，并利用上述數(shù)據(jù)來指導(dǎo)生產(chǎn)和設(shè)計(jì)。為此，筆者對(duì)汽車機(jī)械慣量電模擬技術(shù)分析進(jìn)行闡述。

1 傳統(tǒng)機(jī)械慣量模擬方法

傳統(tǒng)機(jī)械慣量模擬系統(tǒng)主要采用飛輪方法，即通過系統(tǒng)的飛輪組來模擬汽車機(jī)械慣量，飛輪組由大小不等的多個(gè)飛輪構(gòu)成。該測(cè)試裝置通過離合器等與底盤測(cè)功機(jī)的主滾連接，通過控制飛輪數(shù)量、大小等來模擬不同的慣量。該方法操作簡(jiǎn)單，但存在如下缺陷：①飛輪一旦加工完成，其質(zhì)量固定不變，這意味著一臺(tái)模擬試驗(yàn)機(jī)一旦組裝而成，其模擬的質(zhì)量就固定下來，除非對(duì)飛輪組進(jìn)行更換，否則不能實(shí)現(xiàn)多樣化的需求；②飛輪質(zhì)量越大，其設(shè)計(jì)和制造要求就越高，這提高了整個(gè)系統(tǒng)的成本；③飛輪組在運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生較大噪聲和振動(dòng)，一旦出現(xiàn)機(jī)械故障，可能會(huì)對(duì)周邊設(shè)備和人員安全造成一定威脅；④普通的飛輪慣量模擬設(shè)備系統(tǒng)龐大，且需要較高的安裝精度，因而安裝和更換飛輪需要花費(fèi)較長(zhǎng)時(shí)間。

2 汽車機(jī)械慣量的電模擬技術(shù)

利用電模擬技術(shù)進(jìn)行汽車機(jī)械慣量測(cè)定的核心內(nèi)容有2點(diǎn)：其一是確定車輛的基本慣量，因?yàn)椴煌能囕v所產(chǎn)生的慣量差別較大，同一輛車在不同的測(cè)試項(xiàng)目中產(chǎn)生的慣量也不相同；其二，電模擬技術(shù)的實(shí)現(xiàn)需要采用電力拖動(dòng)系統(tǒng)，通過對(duì)輸出轉(zhuǎn)矩進(jìn)行精確控制來調(diào)整汽車在加速和減速過程中的加速度和速度，上述參數(shù)都可以利用轉(zhuǎn)矩進(jìn)行測(cè)量，因而電模擬技術(shù)的核心是轉(zhuǎn)矩控制。

2.1 車輛慣量的確定

機(jī)械慣量的模擬首先要對(duì)慣量進(jìn)行定量分析，然后根據(jù)測(cè)試目的和要求確定系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)?？梢岳脤Ｓ迷O(shè)備進(jìn)行試驗(yàn)來測(cè)量汽車的機(jī)械慣量，也可以利用一些技術(shù)文檔資料來獲取相關(guān)數(shù)據(jù)。如在汽車驅(qū)動(dòng)橋傳動(dòng)的測(cè)量中，只要獲得車輛的質(zhì)量和車輪半徑就可以利用相關(guān)公式來獲得機(jī)械慣量[2]。

2.2 模擬系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制

在進(jìn)行電模擬過程中，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)開始驅(qū)動(dòng)的時(shí)候，汽車的所有構(gòu)件和載重量都成為其負(fù)載，用電慣量進(jìn)行模擬加載的時(shí)候，應(yīng)當(dāng)使電慣量的速度與真實(shí)車輛運(yùn)行狀況相一致，這樣才能保證模擬的真實(shí)性。如果模擬車輛的質(zhì)量較大，無論是在加速或者減速階段，電慣量系統(tǒng)的加速度也應(yīng)與真實(shí)車輛運(yùn)行情況相一致。

設(shè)電慣量系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方式符合如下方程[3]：

式中，T表示發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，N／m；TL表示負(fù)載轉(zhuǎn)矩，N／m；J表示機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的慣量，kg／m2；ω表示角速度，rad／s；dω／dt表示角加速度，rad／s2。

電慣量系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程如下[3]：

式中，Te表示負(fù)載電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩，N／m；J1表示系統(tǒng)機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的慣量，kg／m2。

進(jìn)一步可以得出：

式中，K表示慣量模擬倍數(shù)。

通過上述討論，可以得出如下結(jié)論[4]：①汽車在加速階段，如果（T-TL）＞0，且汽車機(jī)械慣量較大，而電慣量系統(tǒng)的機(jī)械慣量相對(duì)小，即K值大于1，則Te小于0，此時(shí)負(fù)載電動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩方向相反，從而阻礙汽車進(jìn)行加速運(yùn)動(dòng)；②在汽車減速階段，情況剛好相反，由于Te大于0，負(fù)載電動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩相同，從而阻礙汽車進(jìn)行減速運(yùn)動(dòng)。

2.3 電慣量控制

以交流電動(dòng)機(jī)變頻器為出發(fā)點(diǎn)，通過交流調(diào)速手段來進(jìn)行電慣量控制。交流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性方程如下[5]：

式中，p表示電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù)，kW；s表示轉(zhuǎn)差率；r1表示電機(jī)定子電阻，Ω；r′2表示電機(jī)轉(zhuǎn)子的等效電阻，Ω；U1表示電動(dòng)機(jī)的端電壓，V；f1表示輸出頻率，Hz；xσ1表示電動(dòng)機(jī)定子電抗，Ω；x′σ2表示電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子等效電抗，Ω。

圖1 交流電動(dòng)機(jī)變頻系統(tǒng)機(jī)械特性曲線（汽車加速階段）

對(duì)于交流電動(dòng)機(jī)變頻器，可通過改變電源頻率來達(dá)到改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。當(dāng)采用恒定電源比的控制方式時(shí)，需要在控制變頻器的輸出功率的同時(shí)控制電壓輸出并保持恒定。當(dāng)轉(zhuǎn)速增加的時(shí)候，負(fù)載電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩就是阻抗轉(zhuǎn)矩，其方向與轉(zhuǎn)矩相反 （見圖1）。此時(shí)，負(fù)載電動(dòng)機(jī)的工作點(diǎn)應(yīng)當(dāng)在機(jī)械特性曲線的第4象限中的A點(diǎn)，才能產(chǎn)生系統(tǒng)測(cè)試所需要的轉(zhuǎn)矩Te，其數(shù)據(jù)可以利用數(shù)學(xué)方法進(jìn)行計(jì)算，電動(dòng)機(jī)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速可以通過對(duì)設(shè)備進(jìn)行測(cè)量得到。此時(shí)交流電動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)為再生制動(dòng)狀態(tài)，其實(shí)際轉(zhuǎn)速大于其同步轉(zhuǎn)速，可以利用下式求出變頻器的輸出頻率[5]：

式中，n表示電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，r／min。

按照式 （2）的要求構(gòu)造控制器，控制變頻器的頻率會(huì)獲得補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩，從而控制電慣量的系統(tǒng)加速度，完成對(duì)機(jī)械慣量變化的模擬。由于電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速不斷變化，變頻器頻率也在實(shí)時(shí)變化，所以利用電模擬技術(shù)構(gòu)成的慣量模擬系統(tǒng)是一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。

3 仿真試驗(yàn)

根據(jù)動(dòng)力學(xué)模型理論，把電動(dòng)機(jī)輸出軸的轉(zhuǎn)速作為控制量，把制動(dòng)力矩作為反饋量，具體過程如下：制動(dòng)開始后，通過轉(zhuǎn)矩傳感器采集制動(dòng)力矩的信號(hào)，通過A／D數(shù)據(jù)采集卡將數(shù)字信號(hào)輸入計(jì)算機(jī)計(jì)算出所需轉(zhuǎn)速，再通過D／A轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)送至電動(dòng)機(jī)調(diào)速器對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速。該試驗(yàn)在慣性臺(tái)架上完成。電模擬系統(tǒng)采用雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，用轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為20.48kg／m2的小飛輪對(duì)一系列大飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量進(jìn)行模擬，將轉(zhuǎn)速設(shè)定為1000r／min和700r／min，恒轉(zhuǎn)矩設(shè)定在400～500N／m，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 20.48kg／m2 小飛輪對(duì)80kg／m2 大飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的模擬

從圖2可以看出，電模擬系統(tǒng)運(yùn)行情況表現(xiàn)出雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的控制規(guī)律，其中恒轉(zhuǎn)矩有一定的波動(dòng)，對(duì)于雙閉環(huán)系統(tǒng)來說，這是輕微地?cái)_動(dòng)作用，因而模擬曲線也會(huì)有輕微的波動(dòng)。此外，電模擬系統(tǒng)試驗(yàn)在運(yùn)行開始時(shí)和運(yùn)行結(jié)束時(shí)比運(yùn)行在中間段時(shí)的誤差相對(duì)大一些，這主要是因?yàn)樵谶\(yùn)行開始時(shí)的突加負(fù)載系統(tǒng)滯后以及在運(yùn)行結(jié)束時(shí)自由停車引起的。

4 結(jié) 語

通過汽車機(jī)械慣量電模擬技術(shù)可以對(duì)汽車性能進(jìn)行檢測(cè)，也可以為設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，而且電慣量的汽車模擬系統(tǒng)調(diào)節(jié)靈活、自動(dòng)化程度高、裝置簡(jiǎn)單和維護(hù)方便。因此，該技術(shù)將成為汽車性能檢測(cè)的主流技術(shù)。

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[2]劉田.汽車制動(dòng)器性能控制方法[J].四川兵工學(xué)報(bào)，2010，31 （4）：62-63.

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[4]張彪，劉昭度，李志遠(yuǎn)，等.機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)慣量電模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2007，38（5）：37-38.

[5]宮文斌，劉安龍，江闊，等.機(jī)械慣量混合電模擬技術(shù)研究[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2009，40（1）：208-212.